隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，軌道交通因?yàn)檫\(yùn)力大、速度快、污染小以及安全性高等特點(diǎn)，近年來(lái)得到大力發(fā)展，其直流牽引系統(tǒng)中存在的雜散電流與軌道電位引起的安全問題受到廣泛關(guān)注。圖1為軌道交通直流牽引系統(tǒng)中雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理示意圖，出于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的考慮，走行軌不僅用于列車運(yùn)行，同時(shí)還作為列車牽引電流的回流軌。

由于走行軌與大地之間不可能完全絕緣，一部分牽引電流泄漏進(jìn)入大地，并沿著土壤或埋地金屬管線流動(dòng)，最后返回到走行軌和牽引變電站負(fù)極，這部分電流稱為雜散電流，也稱之為迷流。雜散電流會(huì)導(dǎo)致走行軌和牽引系統(tǒng)附近的金屬結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，使用壽命大大縮短；長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕將導(dǎo)致管線破損，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故。

同時(shí)，由于走行軌縱向電阻的存在，牽引電流會(huì)在走行軌上產(chǎn)生幾十伏甚至上百伏的電勢(shì)差，稱之為軌道電位。由于軌道電位的最大值出現(xiàn)在列車所在位置處，所以會(huì)對(duì)人體安全產(chǎn)生潛在危害。

圖1 直流牽引系統(tǒng)中雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理

由于雜散電流與軌道電位的防治措施在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證協(xié)調(diào)難度大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列模擬系統(tǒng)用于雜散電流與軌道電位的研究，主要分為三類：①多維空間模擬系統(tǒng)；②定值電阻模擬系統(tǒng)；③可變電阻模擬系統(tǒng)。

多維空間模擬系統(tǒng)因?yàn)榻＿^程復(fù)雜且適用對(duì)象單一而較少使用。定值電阻模擬系統(tǒng)的模擬精度與系統(tǒng)使用的電阻數(shù)量呈正比，同時(shí)只能實(shí)現(xiàn)雜散電流和軌道電位的靜態(tài)模擬?？勺冸娮枘M系統(tǒng)在定值電阻模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用電力電子變換器替代電阻，在提高系統(tǒng)模擬精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了雜散電流與軌道電位的動(dòng)態(tài)模擬。

但已有的可變電阻模擬系統(tǒng)只適用于牽引變電站負(fù)極直接接地的牽引系統(tǒng)，且只能模擬列車以單一工況運(yùn)行時(shí)的雜散電流與軌道電位，無(wú)法適用于為抑制雜散電流和軌道電位提出的多區(qū)間牽引系統(tǒng)。

針對(duì)上述不足，本文首先研究了一種雙向可變電阻模塊（Bidirectional Variable Resistance Module,BVRM），通過改變列車左右兩側(cè)的走行軌縱向電阻，模擬列車的不同運(yùn)行工況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合牽引變電站接地方式和牽引系統(tǒng)特點(diǎn)，進(jìn)一步提出三種動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)：基本型動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)（Basic Dynamic Simulation System,B-DSS）、多接地動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)（Multiple Grounding Dynamic Simulation System,MG-DSS）和多區(qū)間動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)（Multiple Interval Dynamic Simulation System,MI-DSS），分別討論了其工作原理、參數(shù)選擇和控制策略。最后對(duì)所提出模擬系統(tǒng)開展了詳細(xì)的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖18 模擬系統(tǒng)控制框圖

總結(jié)

本文在研究雙向可變電阻模塊BVRM的基礎(chǔ)上，提出三種動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)B-DSS、MG-DSS和MI-DSS，用于模擬城市軌道交通牽引系統(tǒng)中雜散電流和軌道電位的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。本文對(duì)上述系統(tǒng)開展了詳細(xì)的理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，得到以下結(jié)論：

• 1）BVRM可工作在列車牽引電流雙向流動(dòng)模式下，通過改變列車左右兩側(cè)的走行軌縱向電阻，實(shí)現(xiàn)模擬列車以不同工況運(yùn)行。
• 2）B-DSS適用于接地系統(tǒng)。MG-DSS在B-DSS的基礎(chǔ)上增設(shè)零電位參考點(diǎn)，通過不同的連接方式，可分別適用于浮地系統(tǒng)和接地系統(tǒng)。MI-DSS在B-DSS的基礎(chǔ)上引入?yún)^(qū)間切換模塊ISM，適用于多區(qū)間牽引系統(tǒng)。
• 3）B-DSS、MG-DSS和MI-DSS均采用單電阻集中接地結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量該電阻的電流及其對(duì)地電壓，即可方便得到雜散電流和軌道電位的分布。

綜上所述，本文提出的三種雜散電流和軌道電位動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)相比于現(xiàn)有模擬系統(tǒng)，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并拓展了適用列車運(yùn)行工況以及適用牽引系統(tǒng)類型范圍，因此具有良好的應(yīng)用前景。